【摘 要】
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目前,全球气候变暖问题日趋严重,面对我国富煤缺油少气的能源结构特征,提高煤炭利用效率是实现碳减排目标的关键。化学链气化技术作为煤炭清洁利用的重要技术手段,利用太阳能提供化学链气化过程所需热量,不仅实现煤炭资源的清洁高效利用,而且实现碳减排目标。本文提出太阳能-煤化学链气化互补制富氢合成气的新系统,实现煤炭高效转化利用。并对太阳能驱动煤化学链气化过程进行模拟研究,用以制备富氢合成气,并开发了其下游甲
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目前,全球气候变暖问题日趋严重,面对我国富煤缺油少气的能源结构特征,提高煤炭利用效率是实现碳减排目标的关键。化学链气化技术作为煤炭清洁利用的重要技术手段,利用太阳能提供化学链气化过程所需热量,不仅实现煤炭资源的清洁高效利用,而且实现碳减排目标。本文提出太阳能-煤化学链气化互补制富氢合成气的新系统,实现煤炭高效转化利用。并对太阳能驱动煤化学链气化过程进行模拟研究,用以制备富氢合成气,并开发了其下游甲醇制备工艺。本文主要采用Aspen Plus和System Advisor Model软件对该体系开展互补利用能量转化机理、关键操作参数及系统集成等基础研究。首先建立了太阳能热化学能量转化模型,从热力学第一定律出发,对太阳能热化学过程中能量流向进行分析。并提出利用聚光太阳能驱动煤化学链气化的热化学互补利用新系统,实现了由太阳能热能到燃料化学能的转化。系统主要包括两部分:太阳能收集和热化学转换子系统。分析了各部分能量来源、损失及应用,为后续太阳能驱动煤化学链气化过程提供理论基础。通过系统模拟揭示了温度、氧碳比和水碳比等关键操作参数对制氢系统性能的影响规律,完成了系统的热力学性能分析。并对系统进行了动态性能研究,揭示了太阳能与煤的互补利用耦合特性。结果表明:氧碳比增大不利于氢气的产生;在850℃最佳气化温度下,氢气产率最高;水碳比增大有利于氢气的产生,但过大会降低系统的热效率和太阳能转化为燃料的效率。系统出口含硫气相污染物主要为H2S和COS,含氮气相污染物为NH3和HCN,污染物的存在影响合成气的后续利用。设计工况模拟结果显示:与传统自热型化学链气化过程相比,新系统的产氢率提高了 162.5%,当气化温度为850℃,水碳比为1,氧碳比为0.1时系统的产氢性能最佳。系统技术经济评估结果表明:定日镜成本、设备成本和氢气价格是影响系统生产成本的主要因素,定日镜成本降低有利于该系统的开发。氢气的生产成本为2.685 USD/（kg·syngas）。该研究成果为我国煤炭高效清洁利用和产氢气技术提供了—种新思路。利用聚光太阳能生产的合成气与甲醇合成工艺耦合,该技术中利用太阳能制得的合成气比例更适宜于甲醇合成。系统模拟结果表明:化学链气化系统在设计工况下14568 kg煤进料量情况下,水碳比对甲醇生产影响较大,最佳水碳比为2。甲醇合成反应器最佳运行温度为200℃、压力为5 MPa。通过采用夹点技术对系统的换热网络进行了优化,使总公用工程所需成本降低了 112.97%。系统经济分析表明甲醇生产成本为271 USD/（t·CH3OH）。
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